輸油泵效率測試方法的研究

秦建安，李文錦，秦繼镕

（1.中海油田服務股份有限公司鉆井事業部，河北廊坊 065201；2.中國石油大學（北京），北京 102249）

0 引言

反映油泵經濟效用的重要參數之一是泵的效率[1]。隨著我國深化節能減排，企業對測試機泵的效率值的精確度和頻率有很大需求，以把握設備的能耗狀況和設備自身的運行狀態，評價設備運行的合理性[2]。針對上述問題，國內外學者展開了大量研究，并最終總結出2種測試泵效的有效方法：水力法和熱力學法。

我國學者李鐵鋼于1980-1981年，進行了熱力學方法和水力學方法的比較，并進行了深入研究[3]。

1847年，法國人焦耳提出流體機械的水頭損失與水溫的構想。1914年，這一原理被法國的Poirson應用于水輪機效率測定，并提出水輪機內每英尺水頭損失將會導致水溫升高1/1400℃，并于1920年發表首個關于試驗方法的論文。1937年，德國人K.J.Umptenbath開始研究如何通過測量溫度確定水輪機的效率。

高紫俊、呂實誠在2009年進行的研究中，采用的核心處理器是ARM9，應用微溫差法的原理，RS232信號傳輸和顯示器等外設模塊組成了一套集成水泵效率測試系統，能實現數據的收集與處理、保存數據、人機互動、通信功能，采取一定的手段保證系統的穩定和可靠[4-6]。

基于水力學法和熱力學法，對泵效的測試方法進行了探討與研究，總結出2種方法計算泵效的公式，并根據實驗進行了公式的簡化。在此基礎上進行實驗，綜合對比2種測試泵效方法的優缺點，為現場測試泵效提供指導。

1 泵效的水力學測法模型

水力學法測試離心泵效率主要是應用離心泵的液體功率（也稱有效功率）來測試泵效率，其基本原理是在某確定流量下液體的功率與泵軸輸入的功率之比作為流量法的泵的效率值（η1）。其表達式見式（1）。

式中ρ——液體密度，kg/m3

g——當地重力加速度，m/s2

Q——離心泵的流量，m3/h

H——相應流量下泵的揚程，m

N——泵運行的軸功率，kW

2 泵效的熱力學測法模型

熱力學法是基于熱力學第一、第二定律，應用于水泵效率測試的一種方法，是主要以熱力學第一定律、穩定開口系統能量變化等為基礎支撐的熱力學法理論。

根據熱力學原理，可以假想本實驗所用的離心泵為一開口熱力系統，則泵效率可以用式（2）確定。

其中，ΔEm為考慮運行過程中泄漏而添加的修正項，EX為泵軸已經提供但被水帶走的外部損失，包括軸承、軸封摩擦等損失。因此，只要測算出焓差，泵的效率就能確定了[7-8]。

由焓的定義dh=Tds+vdp可知，在等熵過程中，(h2s-h1s)=其中為液體（此處為水）的平均比容；p1，p2分別為泵的進出口壓力。所以其中是液體（此處為水）的熱力學系數是液體（此處為水）的定壓比熱。該式還可寫為

本實驗中測量點處滿足v1=v2，z1=z2，所以離心泵效率可用式（4）表示。

3 實驗分析

3.1 實驗參數

（1）水力學法參數。水的密度ρ=1000 kg/m3，重力加速度g=9.81 m/s2，電機功率參數cosφ=0.81，電機運行效率η電=86.6%，泵軸功率N=4.016 kW，則泵效實驗計算式為100%。

（2）熱力學法參數。水的平均比容vˉ=0.001 m3/kg，水的定壓比水的熱力學系數=0.015，則泵效的實驗計算式為

3.2 實驗驗證

改變閥門開度，獲得不同流量下的原始實驗數據（表1）。分別按照水力學法和熱力學法進行處理，得到表2。

根據表2，繪制離心泵效率曲線圖，對參考曲線與2種方法測出的泵效曲線進行耦合（圖1）：曲線1為水力學法計算出的泵效率，曲線2為熱力學法計算繪制的效率—流量曲線，曲線3則是離心泵生產廠家提供的參考效率—流量曲線。

由圖1可以看出，在實際實驗操作中，熱力學法與水力學法計算的泵的效率均比參考效率小，但熱力學法計算得到的效率比水力學法計算的效率更接近于參考效率值。

表1 實驗原始數據

表2 不同流量下離心泵的揚程、功率和效率

圖1 η—Q曲線

4 結論

（1）傳統水力學測法計算泵效需要的參數復雜，如綜合流量、揚程、軸功率和工況轉速等。它們在本實驗現有條件下會對測量精度產生較大影響，不易獲得準確數據，最終會對測得的泵效產生較大影響。

（2）熱力學方法測試泵效所需的參數十分簡單，僅僅需要進出口的壓力和溫差，不需要測量流量和揚程。實驗臺現有條件對熱力學法的影響較小，所以精度較高。

（3）結合本實驗所用的2種泵效測試方法的公式，不難發現，水力學法測試泵效的公式僅僅需要進出口壓差，而熱力學法的公式除了涉及進出口壓差外，還有進出口溫差來對實驗數據的測試結果進行修正。從這一點來看，熱力學法測試泵效的方法優于水力學法。

（4）實驗數據表明，在現場實際使用的泵的效率監測中，相比于水力學法進行泵效的測試，采用熱力學法進行泵效的實時監測不僅測試精度高、結果準確，而且在監測系統的搭建上具有優勢，系統所需的組件相對較少，結構簡單，便于安裝和維修。